книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии

В этом уравнении первая составляющая 0°Л опреде­

ляет нагрев стержней пусковой обмотки при пуске вхо­ лостую, а вторая составляющая A0°.Harp дает увеличе­ ние температуры стержней обмотки при пуске с момен­ том нагрузки на валу машины. Отношение значений температуры нагрева при пуске под нагрузкой и вхоло­ стую будет равно отношению среднего асинхронного мо­ мента к среднему избыточному моменту:

Время разгона двигателя до подсинхронной скорости при пуске под нагрузкой можно определить, если извест­ ны характеристики — ) и Mc=f ( s ) , путем числен­ ного интегрирования уравнения

При определении температуры нагрева поверхности бочки массивного ротора также принимают ряд допуще­ ний, а именно: ротор рассматривают как сплошное ци­ линдрическое тело; локальные нагревы не учитывают, т. е. определяют средний нагрев; считают, что теплоотда­ ча в окружающую среду отсутствует и что магнитный по­ ток остается постоянным .на всей глубине проникновения и т. д.

Однако с учетом этих допущений расчет нагрева оста­ ется достаточно приближенным. Объясняется это тем, что, как указывалось выше, глубина проникновения маг­ нитного потока в ротор при пуске зависит от скольжений. В то же время существует определенная связь между

60

глубиной проникновения магнитного потока и удельны­ ми потерями в роторе. Поскольку скольжение в процессе пуска меняется, являясь функцией времени, следователь­ но, и потери при этом не остаются постоянными, а явля­ ются также функцией времени. Именно это обстоятель­ ство и усложняет расчет.

Порядок расчета -температуры нагрева принимают следующий. По характеристике асинхронного момента двигателя Ma=f ( s ) и характеристике момента механиз­ ма Mconp=f ( s ) при известной механической постоянной времени агрегата Тм строят кривую изменения во време­ ни скольжения s = f(t). Одновременно строят кривую из­ менения в процессе пуска-напряжения на зажимах дви­ гателя U = f (t). Зная величины напряжения на зажимах двигателя и скольжения для каждого момента времени, а также геометрические размеры поверхности ротора, строят кривую зависимости удельных потерь в функции времени P0 = f(t). Используя затем законы нагрева сплошных цилиндрических тел, определяют температуру нагрева ротора за период пуска. Вполне естественно, что расчет в таком виде для практических целей является громоздким и нецелесообразным.

Поэтому в разработанной ВНИИЭ методике расчета температуры нагрева поверхности массивного ротора за время пуска [19, 21, 23] принимают, й»о скорость враще­ ния линейно зависит от времени пуска и что потери в ро­ торе пропорциональны скольжению. Считают также, что глубина проникновения магнитного потока ограничива­ ется верхней частью зубцов, и, следовательно, на этом участке концентрируются потери. Согласно методике ВНИИЭ, максимальное повышение температуры нагре­ ва при пуске определяется в зависимости от его продол­ жительности tn по кривым (рис. 21), построенным для различных значений удельных потерь Р0 в начальный момент пуска при неподвижном роторе.

(И-10) •

Потери АРнач в начальный момбнт пуска можно под­

где / п — начальное значение пускового тока, А; / П= АЛ;

6i

62

м,а.ср пн

где 0°доп= 300°С — максимально допустимая темпера­ тура нагрева стержней.

Чрезмерные токи, возникающие при работе синхрон­ ного двигателя в асинхронном режиме, не только оказы­ вают тепловое воздействие на двигатель, но и вызывают появление значительных механических усилий в лобовых частях обмотки статора, в местах соединения стержней пусковой обмотки с замыкающими кольцами, в крепле­ ниях активной стали. Хотя эти условия и не являются определяющими при ограничении продолжительности работы двигателя в асинхронном режиме, они могут быть причиной повреждения отдельных его элементов

испособствовать сокращению срока службы двигателя. Учитывая, что продолжительная работа синхронного

двигателя в асинхронном режиме приводит к прежде­ временному выходу его из строя, а также отрицательное влияние крупных синхронных двигателей, работающих в асинхронном режиме, на другие потребители (колеба­ ние напряжения), во всех случаях стремятся ограничить время работы в асинхронном режиме или, если возмож­ но, вообще не допускать его. При проектировании при­ водов с синхронными двигателями предусматривают ав­ томатизацию пуска синхронного двигателя, при которой напряжение возбуждения подается в обмотку возбужде­ ния при достижении двигателем подсинхронной скоро­ сти; защиту двигателя от асинхронного режима; форси­ ровку возбуждения; ресинхронизацию и др.2

2. ФОРСИРОВКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Весьма действенной мерой, часто предотвращающей выпадание двигателя из синхронизма, является форси­ ровка возбуждения. Например, при глубоких посадках напряжения до 0,7—0,8 от 11я, когда вращающий момент Двигателя определяется характеристикой М3 = f(0) (см. рис. 10), устойчивая работа двигателя нарушается и он должен выпасть из синхронизма. При форсировке возбуждения в соответствии с выражением (1-36) вра­ щающий момент возрастает до значения, определяемого характеристикой М3ф = /(0), и двигатель остается в син­ хронизме (точка 3 на рис. 10). Пользуясь выражени-

64

Из уравнения (П-18) следует, что рост нагрузки при­ водит к увеличению UKV, а форсировка возбуждения уменьшает его, создает определенный запас устойчиво­ сти, способствуя удержанию двигателя в синхронизме.

Форсировка возбуждения также оказывает сущест­ венное влияние на процесс втягивания двигателя в син­ хронизм при его пуске, самозапуске и ресинхронизации.

.Для оценки возможности вхождения двигателя в синхро­ низм пользуются понятием критического скольжения — максимальной величины скольжения, при которой дви­ гатель после подачи возбуждения может втянуться в син­ хронизм. Это скольжение определяется по эмпирической формуле [25]

(И-19)

Так как значение максимального момента ЛГ„М про­ порционально э. д. с. двигателя (1-36) и, следовательно, силе тока возбуждения, то, как следует из уравне­ ния (II-19), при большой силе тока возбуждения вхож­ дение двигателя в синхронизм возможно при большем скольжении, а при данном скольжении вхождение будет проходить тем благоприятнее, чем больше сила тока воз­ буждения.

Форсировочная способность возбудителя оценивается кратностью форсировки напряжения возбудителя k$и, кратностью форсировки по силе тока возбуждения k$i и скоростью нарастания напряжения возбудителя.

Под кратностью форсировки по напряжению возбуди­ теля понимают отношение наибольшего установившегося значения напряжения возбудителя, присоединенного к обмотке возбуждения синхронного двигателя, к номи­ нальному напряжению возбуждения. Для статических возбудителей (ионных, тиристорных, магнитополупро­ водниковых), дающих пульсирующее напряжение, крат­ ность форсировки по напряжению определяется по сред­ нему значению за период.

ГОСТ 183—66 нормирует кратность предельно уста­ новившегося напряжения возбудителей: для синхронных

двигателей без APB она должна быть не менее 1,4

(1,4-1,8).

Как показала практика эксплуатации, для крупных синхронных двигателей, работающих с резко переменной нагрузкой и имеющих АРВ, оптимальное значение крат­ ности форсировки по напряжению возбудителя лежит в пределах 2,2—2,8 *, по силе тока возбуждения — в пре­ делах 1,7—1,8 [1]. В ГОСТ 183—66 вводится понятие но­ минальной скорости нарастания напряжения возбудите­ ля, которая определится по формуле

Величина ti определяется по кривой нарастания на­ пряжения возбудителя.

Для синхронных двигателей ГОСТ не нормирует но­ минальную скорость нарастания напряжения возбудите­ ля. Однако в условиях эксплуатации при данных пара­ метрах возбудителя стремятся получить максимально возможную скорость нарастания его напряжения до ка­ таложного значения с тем, чтобы форсировать скорость нарастания силы тока возбуждения. Именно этим и объ­ ясняется повышенное значение коэффициента форсиров­ ки по напряжению k$и по сравнению с Aju.

При выборе скорости нарастания силы тока возбуж­ дения следует учитывать положительное качество син­ хронных двигателей — способность саморегулирования. При внезапном коротком замыкании в сети или набросе нагрузки в обмотке возбуждения появляются апериоди­ ческие и периодические составляющие переходного тока, которые накладываются на ток возбуждения и увеличи­ вают его.

* Имеется в виду предельное напряжение возбудителя — наи­ большее напряжение в режиме холостого хода. Предельное напря­ жение возбудителя обычно больше его предельного установившего­ ся напряжения.

66

Пренебрегая переходными процессами в пусковой об­ мотке и периодической составляющей переходного тока, в первом приближении для силы тока обмотки возбужде­ ния if в относительных единицах можно записать

, __ t_

где ifCp — сила тока в обмотке возбуждения, зависящая от напряжения возбудителя;

if„ер— сила переходного тока в обмотке возбуди­ теля;

xd— синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси;

x'd— переходное индуктивное сопротивление по продольной оси;

Т 'а— постоянная времени обмотки возбуждения, с. При быстром нарастании напряжения возбудителя и медленном затухании переходного тока, которое опреде­ ляется постоянной времени Т'й, ток от форсировки воз­ буждения успевает поддержать и усилить переходной ток, чем обеспечивается высокая эффективность форси­

ровки возбуждения.

В случае глубокого снижения напряжения и выпада­ ния двигателя из синхронизма он интенсивно тормозится, особенно при наличии момента нагрузки на его валу; критическое скольжение достигается через время, равное

В результате форсировки возбуждения увеличивает­ ся sKp и, следовательно, возрастает tKр. Поэтому чем вы­ ше скорость нарастания напряжения возбудителя и, со­ ответственно, тока возбуждения, тем больше вероят­ ность, что к моменту восстановления напряжения сколь­ жение двигателя будет меньше критического, и двига­ тель втянется в синхронизм.

Практически выбор максимальной форсировки по на­ пряжению на приводах с мощными синхронными двига­ телями и-тиристорным возбуждением ограничен потолоч­ ным значением выпрямленного напряжения тиристорных преобразователей. Освоенные электротехнической про­ мышленностью комплектные тиристорные преобразова­

тели имеют максимальное выпрямленное напряжение

в номинальном режиме 460 В. Поэтому для двигателей

свысокоомными обмотками возбуждения, например СТМ-12000-2, практически невозможно достигнуть коэф­

фициента форсировки по напряжению выше

~230

Сучетом посадки напряжения в сети, питающей ти­ ристорный возбудитель, коэффициент форсировки будет

еще ниже.

Форсировка возбуждения повышает напряжение в уз­ ле нагрузки при кратковременных снижениях его и тем самым способствует устойчивой работе других двигате­ лей, питающихся от этого узла. Если пренебречь актив­ ными потерями напряжения в сети, то влияние форсиров­ ки возбуждения на повышение напряжения узла нагруз­ ки можно выразить следующей формулой:

(11-25)

*->к.з

где AU%— повышение напряжения в узле нагруз­ ки, относительные единицы;

AQ = Фф — Qp— приращение реактивной мощности син­ хронного двигателя при форсировке, кВАр;

фф— реактивная мощность синхронного двигателя при форсированном возбуж­ дении, кВАр;

Qp — реактивная мощность синхронного дви­ гателя при рабочей силе тока возбуж­ дения, кВАр;

SK.g — мощность короткого замыкания в дан-

. ном узле нагрузки, кВА.

В соответствии с выражением (1-53) реактивная мощ­ ность синхронного двигателя приближенно может .быть

68

где

Ll k, = X -

I f — сила тока возбуждения синхронного двигателя в данном режиме перед форсировкой возбуж­ дения;

/ /н— номинальная сила тока возбуждения; коэффициент форсировки по току;

Пренебрегая падением напряжения в активном сопротивлении сети, определить повышение напряжения на шинах подстанции при фор­

Из выражения (1-54) находим

1 + Р2 x ld cos ф2

1 -f xid + 2хч sin фн

1 + 0 ,8 2-0,9252-0,82

0,704.

1 + 0 ,9252 + 2 -0,925 -0,6

69